150415 (Источники энергии - история и современность), страница 5

Первые генераторы электрического тока, нашедшие хоть какое - то применение, использовали закон Фарадея без каких - либо собственных усовершенствований в их конструкции. Например, в динамо - машине Пиксии мимо катушек перемещались тяжёлые постоянные магниты. Большую работу в этой области электротехники проделал немецкий изобретатель Сименс. Однако первым, кто создал электрогенератор, получивший широкое распространение, был изобретатель (бывший столяр) Грамм.

Сначала все генераторы вырабатывали постоянный ток, но с открытием полезных свойств переменного тока (возможность трансформации и, как следствие, передачи на дальние расстояния) широко стали распространяться генераторы переменного тока, а вместе с ними - строительство электростанций, электрификация промышленности, транспорта и быта людей.

Генератор переменного тока.

Генераторы переменного тока получили широкое распространение из-за вышеупомянутых свойств переменного тока.

Устройство простейшего генератора переменного тока показано на рисунке: рамка вращается в магнитном поле, создаваемая ЭДС отводится с помощью контактных колец.

ЭДС создаётся за счёт изменения магнитного потока через рамку; мгновенное значение напряжения индукции равно: u = NBSw sin wt, где N - количество витков в рамке, В - индукция магнитного поля, S - площадь рамки, w - угловая скорость вращения, t - время. Максимальное значение (амплитуда) напряжения индукции равно: U = NBSw.

Сила тока, вырабатываемого в этом генераторе, изменяется по закону синуса и меняет свой знак дважды за период. Такой ток называется переменным.

Для создания магнитного поля применяются электромагниты, питающиеся от самого генератора. В мощных генераторах вращаются не обмотки, в которых индуцируется напряжение, а электромагниты.

Генератор постоянного тока.

Генератор постоянного тока основан почти на том же принципе, что и генератор переменного тока, только вместо контактных колец применяются насколько изолированных друг от друга полуколец (коммутаторов), предназначенных для переключения при изменении полярности напряжения ротора. При этом возникает постоянное пульсирующее напряжение, величина которого колеблется по синусоидальному закону. Пульсации можно уменьшить, применяя барабанный якорь, состоящий из большого числа смещённых относительно друг друга обмоток, соединенных с соответствующими сегментами коллектора (коммутатора). Для возбуждения электромагнитов применяется ток, индуцированный в якоре (принцип Сименса). Запуск обеспечивается только за счёт остаточного магнетизма.

3.2 Электродвигатель

Электродвигатели имеют в общих чертах то же устройство, что и генераторы, но основаны на обратном принципе действия. Приложенное к обмотке якоря напряжение вызывает ток, который в свою очередь создаёт магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем возбуждения. При этом возникает сила, вращающая ротор.

Вращающий момент М равен: M=NIBS sin wt, где N - число витков обмотки якоря, I - ток, текущий в якоре, B - магнитная индукция, S - площадь витка, w - угловая скорость вращения, t - время, отсчитываемое от момента, когда обмотка занимала положение, перпендикулярное направлению магнитного поля.

Электродвигатели бывают переменного и постоянного тока.

К электродвигателям переменного тока относят: синхронные (аналогичны генератору переменного тока, частота переменного напряжения определяет скорость вращения данного электродвигателя, при запуске необходимо сообщать от внешнего источника необходимую скорость вращения, при увеличении нагрузки происходит остановка двигателя) и асинхронные (аналогичны генератору постоянного тока и могут работать как от переменного, так и от постоянного тока, скорость вращения не зависит от частоты переменного тока).

К электродвигателям постоянного тока относят: сериесные (обмотки электромагнита и якоря включены последовательно, число оборотов сильно зависит от нагрузки) и шунтовые (обмотки якоря и электромагнита включены параллельно, число оборотов двигателя почти не зависит от нагрузки).

КПД электродвигателей очень высок, иногда достигает 98%, что не достижимо для других типов двигателей.

Первый электродвигатель был сконструирован русским изобретателем Б.С. Якоби в 1834 году. Он работал от постоянного тока и, хотя и был годен для практического применения, не использовался из-за дороговизны гальванических батарей, с помощью которых он приводился в действие. Поэтому широкого применения он не нашёл.

С изучением свойств переменного тока начали широко распространяться электродвигатели переменного тока, совершившие, как в своё время паровая машина, подлинный промышленный переворот. В современном мире нашли применение и электродвигатели постоянного тока - в качестве движителя трамваев, троллейбусов и др.

3.3 Химические источники тока

Химическую энергию можно преобразовать в электрическую. Так, например, в гальваническом элементе, изображённом на рисунке, электрическая энергия выделяется за счёт химической реакции между электродами и электролитом. В первом гальваническом элементе, созданном итальянским физиком Алессандро Вольта, в качестве электролита использовалась серная кислота, а в качестве положительного и отрицательного электродов - медный и цинковый стержни соответственно.

Отрицательные ионы серной кислоты притягивают к себе положительные ионы цинка и меди. Из-за того, что кинетическая энергия ионов цинка больше, чем кинетическая энергия ионов меди (так как медь менее активный металл, чем цинк), то в раствор переходит больше положительных ионов цинка, чем меди, поэтому цинковый электрод приобретает отрицательный заряд относительно медного электрода.

Между цинковым и медным электродами возникает ЭДС, равная разности нормальных потенциалов (значения этих потенциалов определяются положением металла в электрохимическом ряду напряжений металлов): Е = f_Cu - f _Zn = 0,34- ( - 0,76) = 1,1 Вольт.

При использовании различных металлов возникает разная ЭДС. Максимальным (по модулю) нормальным потенциалом обладает литий (-3,0 Вольт), а за ним - калий (-2,9 Вольт), поэтому литиевые и калиевые гальванические элементы ("батарейки") получили в настоящее время наибольшее распространение.

3.4 Аккумулятор

В аккумуляторах накопление электрической энергии происходит за счёт её превращения в химическую. В отличие от гальванических элементов, которые сразу готовы к работе, аккумулятор нужно зарядить. Поэтому их (аккумуляторы) называют иногда вторичными элементами.

Аккумуляторы широкого применения подразделяются на кислотные и щелочные; к кислотным относится свинцовый аккумулятор, к щелочным - железоникелевый.

В свинцовом аккумуляторе происходит следующий процесс:

2PbSO₄ + 2H₂O = PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄

(при зарядке процесс течёт слева направо, при разрядке - справа налево, при зарядке оксид свинца выделяется на аноде, чистый свинец - на катоде). ЭДС свинцового аккумулятора равна 2 В.

В железоникелевом аккумуляторе происходит следующая реакция:

2Ni (OH) ₂ + Fe (OH) ₂ = 2Ni (OH) ₃ + Fe

(при зарядке процесс течёт слева направо, при разрядке - справа налево). ЭДС железоникелевого аккумулятора равна 1,2 В.

4. ХХ век

4.1 Атомная энергия

В современной атомной энергетике используются две изображённые выше реакции: первая, вверху - это реакция деления U - 235, которая сопровождается выделением большого количества энергии. Вторая - реакция размножения ядерного топлива, происходящая в реакторах на быстрых нейтронах (размножительных реакторах) - получение из U - 238 (изотоп урана, делящийся только быстрыми нейтронами) Pu - 239 - искусственного элемента, делящегося при тех же условиях и так же, как и U - 235.

На рисунке представлен возможный ход реакции деления урана 235, а также баланс выделяющейся энергии. Главная особенность этих реакций - увеличение числа нейтронов, и, следовательно, числа поделённых ядер, в геометрической прогрессии - цепная реакция. Энергия, выделившаяся в ходе этой реакции за одно деление, пропорциональна разности энергии связи образовавшихся частиц и энергии связи U-235, т.е. E = (m_ч1 + m_ч2 - m_U235) c², где с² - скорость света в квадрате.

4.2 Атомный реактор

Первый реактор - реактор Ферми.

Первый реактор был построен в 1942 году под руководством Энрико Ферми. Реактор имел только научное значение; он предназначался для демонстрации возможности управляемой ядерной реакции. Дату пуска этого реактора можно считать началом новой эры - эры атомной энергии.

Реактор имел значительные размеры даже по сравнению с современными реакторами.

Аварийная защита реактора была оригинальна: на площадке над реактором стояло двое помощников Ферми, державшие в руках вёдра с раствором солей бора - поглотителя нейтронов. В случае даже незначительной опасности помощники были готовы вылить содержимое вёдер реактор.

Коэффициент размножения (отношение числа нейтронов существующего поколения к числу нейтронов предыдущего поколения) равнялся 1,002.

Графитовый реактор.

Устройство современного графитового реактора представлено на рисунке.

Основой реактора является алюминиевая рама с большим количеством трубок, в которые вставляются ТВЭЛы - тепловыделяющие элементы, представляющие собой трубку из циркониевого сплава, в которой заключены таблетки из обогащённого урана 235 (или диоксида урана 235). Рама обложена кирпичами из графита высшей химической чистоты, играющими роль отражателя. Между трубок с ТВЭЛами также находится графит. В нём проделаны каналы, по которым пропускается теплоноситель - вода или жидкий натрий. Смена ТВЭЛов происходит посредством выталкивания старого новым ТВЭЛом.

Аварийная защита и управление реакцией осуществляется посредством нескольких бронзовых пластин (или стержней), покрытых кадмием - поглотителем нейтронов.

Реактор окружён бетонной защитой толщиной до 3 метров.

Реактор на тяжёлой воде.

Устройство реактора на тяжёлой воде представлено на рисунке.

Основа реактора - алюминиевый бак с трубками для ввода (и извлечения) управляющих стержней и ТВЭЛов. Роль замедлителя и теплоносителя играет так называемая тяжёлая вода. В качестве отражателя нейтронов использован графит высшей химической чистоты.

Смена ТВЭЛов осуществляется посредством снятия защитной крышки, выполненной из свинца и чугуна, извлечения отработанных ТВЭЛов и ввода новых с помощью специального подъёмника.

Аварийная защита осуществляется посредством ввода в активную зону аварийных поглощающих стержней, а также спуска тяжёлой воды в специальный бак, расположенный под реактором.

Управление реакцией осуществляется посредством нескольких бронзовых пластин (или стержней), покрытых кадмием - поглотителем нейтронов.

Реактор окружён бетонной защитой толщиной до 3 метров.

Гомогенный реактор.

Гомогенный реактор в профессиональных кругах в шутку (или всерьёз) называют "паровым котлом".

Устройство реактора данного типа представлено на рисунке.

Основой реактора служит сфера из нержавеющей стали диаметром около 30 сантиметров, что приближает активную зону к размерам атомной бомбы. Но начало неуправляемой цепной реакции предотвращает механизм саморегулирования (замедление хода реакции из-за увеличения амплитуды колебаний замедлителя и делящегося материала - нейтроны пролетают мимо них, температура понижается, реакция остаётся управляемой).

Делящимся материалом служит раствор сульфата уранила, замедлителем - тяжёлая вода, отражателем - графит высшей химической чистоты. Теплоносителем может служить вода или жидкий натрий.

Аварийная защита реактора аналогична аварийной защите реактора на тяжёлой воде.

Реактор окружён бетонной защитой толщиной до 3 метров.

С появлением этого типа реакторов стали возможны такие футуристические проекты, как атомный поезд, атомный самолёт и атомный корабль. В реальность была воплощена только последняя идея